ఒలివిన్ క్రిస్టల్ స్ట్రక్చర్ అంటే ఏమిటి?

ఒలివిన్ స్ఫటిక నిర్మాణం ఆర్థోహోంబిక్ అమరికను కలిగి ఉంటుంది, ఇక్కడ వివిక్త సిలికాన్-ఆక్సిజన్ టెట్రాహెడ్రా (SiO₄) అష్టాహెడ్రల్ సైట్‌లను ఆక్రమించే లోహ కాటయాన్‌ల ద్వారా అనుసంధానించబడి ఉంటుంది. మెగ్నీషియం లేదా ఐరన్ అయాన్‌లతో నిండిన అష్టాహెడ్రల్ శూన్యాలలో సగం మరియు సిలికాన్ ఆక్రమించిన టెట్రాహెడ్రల్ శూన్యాలలో ఎనిమిదవ వంతుతో ఈ నిర్మాణాన్ని షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ ఆక్సిజన్ అణువుల శ్రేణిగా చూడవచ్చు.

స్పేస్ గ్రూప్ Pbnm (ప్రత్యామ్నాయ సెట్టింగ్‌లలో Pnma అని కూడా పేర్కొనబడింది) క్రింద ఆర్థోహోంబిక్ క్రిస్టల్ సిస్టమ్‌లో ఒలివిన్ సమూహం స్ఫటికీకరిస్తుంది. ఈ ప్రాథమిక సమరూపత స్ఫటిక లాటిస్‌లో పరమాణువులు తమను తాము ఎలా ఏర్పాటు చేసుకుంటుందో మరియు ఖనిజ భౌతిక లక్షణాలను నేరుగా ఎలా ప్రభావితం చేస్తాయో నిర్వచిస్తుంది.

యూనిట్ సెల్ నాలుగు ఫార్ములా యూనిట్‌లను (Z=4) కలిగి ఉంటుంది మరియు లంబ కోణంలో కలుస్తున్న మూడు అసమాన అక్షాలను ప్రదర్శిస్తుంది. forsterite (Mg₂SiO₄) కోసం, సాధారణ లాటిస్ పారామితులు సుమారుగా ఒక=4.75 Å, b=10.20 Å మరియు c=5.98 Å. ఫెయలైట్‌లో (Fe₂SiO₄), మెగ్నీషియంతో పోలిస్తే ఇనుము యొక్క పెద్ద అయానిక్ వ్యాసార్థం కారణంగా ఈ పారామితులు కొద్దిగా=4.82 Å, b=10.48 Å మరియు c=6.09 Åకి విస్తరిస్తాయి.

Pbnm స్పేస్ గ్రూప్ హోదా ముఖ్యమైన నిర్మాణ వివరాలను వెల్లడిస్తుంది. ఈ అంతరిక్ష సమూహంలో మిర్రర్ ప్లేన్‌లు మరియు విలోమ కేంద్రం ఉంటాయి, పరమాణు స్థానాలపై నిర్దిష్ట సమరూప పరిమితులను సృష్టిస్తుంది. మూడు స్ఫటికాకారపరంగా విభిన్న ఆక్సిజన్ స్థానాలు (O1, O2, O3) నిర్మాణంలో ఉన్నాయి, O1 మరియు O2 అద్దాల సమతలంపై ఉంటాయి, అయితే O3 ప్రత్యేక సమరూపత లేకుండా సాధారణ స్థానాన్ని ఆక్రమిస్తుంది.

ఒలివిన్ నిర్మాణం యొక్క గుండె వద్ద వివిక్త SiO₄⁴⁻ టెట్రాహెడ్రాన్ ఉంది, ఇక్కడ ఒక కేంద్ర సిలికాన్ అణువు నాలుగు చుట్టుపక్కల ఆక్సిజన్ అణువులతో సమయోజనీయంగా బంధిస్తుంది. ఈ టెట్రాహెడ్రా పూర్తిగా స్వతంత్రంగా ఉంటాయి-అవి ఆక్సిజన్ అణువులను పొరుగున ఉన్న టెట్రాహెడ్రాతో పంచుకోవు, ఆలివిన్‌ను నెసోసిలికేట్ లేదా ఆర్థోసిలికేట్‌గా వర్గీకరిస్తాయి. ప్రతి Si-O బంధం సుమారుగా 1.63-1.66 Åని కొలుస్తుంది మరియు బలమైన సమయోజనీయ లక్షణాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది.

స్ఫటికాకార c{0}}అక్షానికి సమాంతరంగా వరుసల వెంట పైకి క్రిందికి చూపుతూ, టెట్రాహెడ్రా ప్రత్యామ్నాయ ధోరణిలో ఉంటుంది. ఈ ప్రత్యామ్నాయ అమరిక నిర్మాణంలో లోహ కాటయాన్‌లు ఉండే ఛానెల్‌లను సృష్టిస్తుంది. సిలికాన్ అయాన్ మిర్రర్ ప్లేన్‌పై కూర్చున్న ఒక స్ఫటికాకారపరంగా విభిన్నమైన సైట్‌ను మాత్రమే ఆక్రమిస్తుంది, అంటే నిర్మాణంలోని అన్ని సిలికాన్ అణువులు సమరూప చర్యల ద్వారా సంబంధం కలిగి ఉంటాయి.

మెటల్ కాటయాన్స్ (సాధారణంగా Mg²⁺ లేదా Fe²⁺) M1 మరియు M2 లేబుల్ చేయబడిన రెండు విభిన్న అష్టాహెడ్రల్ సైట్‌లను ఆక్రమిస్తాయి. M1 సైట్ ఒక విలోమ కేంద్రంపై కూర్చుని, చుట్టూ ఉన్న ఆరు ఆక్సిజన్ పరమాణువులతో మరింత వక్రీకరించిన అష్టాహెడ్రాన్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. M1లో మెటల్-ఆక్సిజన్ బాండ్ పొడవులు మెగ్నీషియం కోసం సుమారు 2.07-2.13 Å వరకు ఉంటాయి. M2 సైట్ మిర్రర్ ప్లేన్‌పై ఉంది మరియు MO దూరాలు 2.04-2.21 Åతో పెద్ద, మరింత సాధారణ అష్టాహెడ్రాన్‌ను సృష్టిస్తుంది.

M1 మరియు M2 సైట్‌ల మధ్య వ్యత్యాసం వివిధ కాటయాన్‌లు నిర్మాణంలో తమను తాము ఎలా పంపిణీ చేస్తాయనే దానిపై ముఖ్యమైన చిక్కులను కలిగి ఉంది. మెగ్నీషియం-ఐరన్ సాలిడ్ సొల్యూషన్ సిరీస్‌లో, Mg²⁺ మరియు Fe²⁺ తక్కువ సైట్ ప్రాధాన్యతను చూపుతాయి-రెండూ బలమైన ఎంపిక లేకుండా M1 మరియు M2 సైట్‌లను ఆక్రమిస్తాయి. అయినప్పటికీ, మోంటిసెల్లైట్ (CaMgSiO₄) వంటి కాల్షియం-బేరింగ్ ఆలివిన్‌లలో, పెద్ద Ca²⁺ అయాన్‌లు ప్రాధాన్యంగా మరింత విశాలమైన M2 సైట్‌లలోకి ప్రవేశిస్తాయి, అయితే Mg²⁺ చిన్న M1 స్థానాలకు అనుకూలంగా ఉంటుంది.

olivine crystal structure

ఆలివిన్ నిర్మాణాన్ని వివరించడానికి ప్రత్యామ్నాయ మార్గం ఆక్సిజన్ సబ్‌లాటిస్‌ను నొక్కి చెబుతుంది. ఆక్సిజన్ అయాన్లు ఒక -అక్షం వెంట పేర్చబడిన సుమారు షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ (hcp) శ్రేణిని ఏర్పరుస్తాయి. ఈ ఫ్రేమ్‌వర్క్ పరంజాను అందిస్తుంది, దానిపై సిలికాన్ మరియు మెటల్ కాటయాన్‌లు తమను తాము ఉంచుతాయి.

ఈ hcp ఆక్సిజన్ అమరికలో, మెటల్ కాటయాన్‌లు అందుబాటులో ఉన్న అష్టాహెడ్రల్ శూన్యాలలో సగభాగాన్ని నింపుతాయి, అయితే సిలికాన్ అణువులు టెట్రాహెడ్రల్ శూన్యాలలో ఎనిమిదవ వంతును ఆక్రమిస్తాయి. ఈ ఎంపిక చేసిన సైట్ ఆక్యుపెన్సీ M₂SiO₄ యొక్క లక్షణమైన ఒలివిన్ స్టోయికియోమెట్రీని సృష్టిస్తుంది, ఇక్కడ M డైవాలెంట్ మెటల్ కాటయాన్‌లను సూచిస్తుంది.

ప్రతి ఆక్సిజన్ అణువు ఒక సిలికాన్ మరియు మూడు లోహ పరమాణువులతో బంధిస్తుంది, దట్టమైన త్రిమితీయ ఫ్రేమ్‌వర్క్‌ను సృష్టిస్తుంది. ఆక్సిజన్ పరమాణువులు సమానమైనవి కావు-మూడు విభిన్న ఆక్సిజన్ స్థానాలు (O1, O2, O3) కొద్దిగా భిన్నమైన బంధన వాతావరణాలను మరియు పొరుగు అణువులకు దూరాలను కలిగి ఉంటాయి. ఆక్సిజన్ సైట్‌లలోని ఈ వైవిధ్యం మొత్తం నిర్మాణ సంక్లిష్టతకు దోహదం చేస్తుంది మరియు ఉష్ణ విస్తరణ మరియు కుదింపు వంటి లక్షణాలను ప్రభావితం చేస్తుంది.

అంచుల-భాగస్వామ్య అష్టాహెడ్రా పొరలు (100) సమతలానికి సమాంతరంగా విస్తరించి, అడ్డంగా{2}}వివిక్త SiO₄ టెట్రాహెడ్రాతో లింక్ చేయబడింది. అనువర్తిత ఒత్తిడిలో ఈ లేయర్డ్ లక్షణం చాలా ముఖ్యమైనది, ఎందుకంటే ఇది భూమి యొక్క మాంటిల్‌లో ఆలివిన్ యొక్క యాంత్రిక మరియు భూకంప లక్షణాలను ప్రభావితం చేసే సంభావ్య స్లిప్ ప్లేన్‌లను సృష్టిస్తుంది.

ఆలివిన్ యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం మెగ్నీషియం ఎండ్-సభ్యుడు ఫోర్‌స్టరైట్ (Mg₂SiO₄) మరియు ఐరన్ ఎండ్-మెంబర్ ఫెయలైట్ (Fe₂SiO₄) మధ్య నిరంతర ఘన పరిష్కారాన్ని కలిగి ఉంటుంది. Mg²⁺ (అయానిక్ వ్యాసార్థం ~0.72 Å) మరియు Fe²⁺ (అయానిక్ వ్యాసార్థం ~0.77 Å) పరిమాణంలో దాదాపు 7% తేడా మాత్రమే ఉండటం వల్ల ఈ పూర్తి మిస్సిబిలిటీ ఉనికిలో ఉంది, ఇది క్రిస్టల్ నిర్మాణాన్ని గణనీయంగా వక్రీకరించకుండా స్వేచ్ఛగా ప్రత్యామ్నాయం చేయడానికి వీలు కల్పిస్తుంది.

కంపోజిషన్‌లు సాంప్రదాయకంగా ఫో₇₀Fa₃₀ (లేదా కేవలం Fo₇₀) వంటి మోలార్ శాతాలుగా వ్యక్తీకరించబడతాయి, ఇది 70% ఫోర్‌స్టరైట్ మరియు 30% ఫాయలైట్‌ని సూచిస్తుంది. మాఫిక్ శిలల నుండి వచ్చే సహజ ఆలివిన్‌లు సాధారణంగా Fo₅₀ నుండి Fo₉₀ వరకు ఉంటాయి, అయితే మాంటిల్ ఆలివిన్‌లు సాధారణంగా ఎక్కువ మెగ్నీషియన్‌గా ఉంటాయి, ఫో₈₈ నుండి Fo₉₂ చుట్టూ కంపోజిషన్‌లు ఉంటాయి.

ఐరన్ కంటెంట్‌తో లాటిస్ పారామితులు దాదాపు సరళంగా పెరుగుతాయి. Fe²⁺ Mg²⁺కి ప్రత్యామ్నాయంగా, ఇనుము యొక్క పెద్ద పరిమాణం అణువులను కొంచెం దూరంగా నెట్టివేస్తుంది కాబట్టి యూనిట్ సెల్ విస్తరిస్తుంది. ఈ సంబంధం చాలా ఊహాజనితంగా ఉంది, యూనిట్ సెల్ కొలతలు సహేతుకమైన ఖచ్చితత్వంతో ఆలివిన్ కూర్పును నిర్ణయించడానికి ఉపయోగించబడతాయి.

ప్రధాన Mg-Fe ప్రత్యామ్నాయంతో పాటు, ఆలివిన్ నిర్మాణం చిన్న మొత్తంలో ఇతర కాటయాన్‌లను కలిగి ఉంటుంది. కాల్షియం పరిమిత పరిమాణంలో నిర్మాణంలోకి ప్రవేశిస్తుంది, M2 సైట్‌కు ప్రాధాన్యత ఇస్తుంది. మాంగనీస్ (టెఫ్రోయిట్‌లో, Mn₂SiO₄) మెగ్నీషియం లేదా ఇనుమును పూర్తిగా భర్తీ చేయగలదు. నికెల్, క్రోమియం మరియు ఫెర్రిక్ ఐరన్ (Fe³⁺) యొక్క ట్రేస్ మొత్తాలను అష్టాహెడ్రల్ సైట్‌లలోకి మార్చవచ్చు, అయినప్పటికీ చిన్న నిష్పత్తిలో.

ఆలివిన్ నిర్మాణం నిర్దిష్ట పీడనం మరియు ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో మాత్రమే స్థిరంగా ఉంటుంది. భూమి లోపల లోతు పెరిగేకొద్దీ, ఆలివిన్ అమరిక శక్తివంతంగా అననుకూలంగా మారుతుంది మరియు వివిధ క్రిస్టల్ నిర్మాణాలతో దట్టమైన పాలిమార్ఫ్‌లుగా మారుతుంది.

సుమారు 410 కి.మీ లోతు వద్ద (సుమారు 14 GPa ఒత్తిడికి అనుగుణంగా), ఒలివిన్ వాడ్స్‌లేయిట్‌కి ఎక్సోథర్మిక్ దశ పరివర్తనకు లోనవుతుంది. ఈ రూపాంతరం ముఖ్యమైన నిర్మాణ పునర్వ్యవస్థీకరణను కలిగి ఉంటుంది, ఇక్కడ ఆక్సిజన్ సబ్‌లాటిస్ షట్కోణ దగ్గరగా నుండి-మరింత ఘనపు అమరిక వైపుకు మారుతుంది. వాడ్స్‌లయిట్ ఆర్థోహోంబిక్ సమరూపతను కలిగి ఉంటుంది, అయితే అష్టాహెడ్రల్ కోఆర్డినేషన్‌లో కొన్ని సిలికాన్ పరమాణువులతో{5}}మార్పు చేయబడిన స్పినెల్ వంటి నిర్మాణాన్ని అవలంబిస్తుంది.

భూమి యొక్క మాంటిల్‌లో లోతుగా, దాదాపు 520 కి.మీ లోతు (18-20 GPa), వాడ్స్‌లేయిట్ రింగ్‌వుడైట్‌గా మారుతుంది, ఇది క్యూబిక్ స్పినెల్ నిర్మాణాన్ని అవలంబిస్తుంది. రింగ్‌వుడైట్‌లో, అన్ని సిలికాన్‌లు టెట్రాహెడ్రల్ స్థానాల కంటే అష్టాహెడ్రల్ సైట్‌లను ఆక్రమిస్తాయి. ఈ దశ పరివర్తనాలు ఆకస్మిక సాంద్రత పెరుగుదలకు కారణమవుతాయి, దీనిని భూకంప శాస్త్రవేత్తలు భూకంప తరంగ వేగంలో నిలిపివేతలుగా గుర్తించారు.

ఈ పరివర్తనాలు సంభవించే ఒత్తిడి ఉష్ణోగ్రత మరియు కూర్పుపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఐరన్-సమృద్ధిగా ఉండే ఆలివిన్ మెగ్నీషియం-సంపన్న రకాల కంటే తక్కువ పీడనం వద్ద రూపాంతరం చెందుతుంది. 800 డిగ్రీ వద్ద, స్వచ్ఛమైన ఫోర్‌స్టరైట్ 11.8 GPa వద్ద వాడ్స్‌లయిట్‌గా మారుతుంది, అయితే వాడ్స్‌లేయిట్-నుండి-రింగ్‌వుడైట్ పరివర్తన 14 GPa కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది. ఐరన్ ఎండ్-సభ్యుడైన ఫాయలైట్ వాడ్స్‌లేయిట్ నిర్మాణాన్ని పూర్తిగా దాటవేస్తుంది మరియు తక్కువ పీడనం వద్ద నేరుగా అహ్రెన్‌సైట్ (ఐరన్-బేరింగ్ రింగ్‌వుడైట్ అనలాగ్)గా మారుతుంది.

olivine crystal structure

ఆలివిన్ నిర్మాణం అనువర్తిత పీడనానికి అనిసోట్రోపికల్‌గా ప్రతిస్పందిస్తుంది-వివిధ స్ఫటికాకార దిశలు వేర్వేరు రేట్ల వద్ద కుదించబడతాయి. M2 ఆక్టాహెడ్రాన్ M1 ఆక్టాహెడ్రాన్ కంటే ఫోర్స్టరైట్ నుండి ఫాయలైట్ వరకు అన్ని కంపోజిషన్‌లలో సులభంగా కుదించబడుతుంది. M2 సైట్ పెద్ద ప్రారంభ వాల్యూమ్ మరియు దాని బంధన కాన్ఫిగరేషన్‌లో ఎక్కువ సౌలభ్యాన్ని కలిగి ఉన్నందున ఈ అవకలన కుదింపు ఏర్పడుతుంది.

8 GPa వరకు ఒకే{0}}క్రిస్టల్ X-రే డిఫ్రాక్షన్ అధ్యయనాలు M2-O బాండ్ పొడవులు ఒత్తిడిలో M1-O బంధాల కంటే వేగంగా తగ్గిపోతాయని వెల్లడిస్తున్నాయి. M1 ఆక్టాహెడ్రాన్ పెరుగుతున్న ఇనుము కంటెంట్‌తో సాపేక్షంగా తక్కువ కుదించబడుతుంది, ఇది విరుద్ధంగా బల్క్ మాడ్యులస్ (కంప్రెషన్‌కు మొత్తం నిరోధం) ఫోర్‌స్టరైట్ నుండి ఫాయలైట్‌కి కొద్దిగా పెరుగుతుంది-ఇనుము మెగ్నీషియం కంటే బరువుగా ఉండటం వలన ప్రారంభంలో వ్యతిరేక ఫలితం.

ఉష్ణోగ్రత నిర్మాణాన్ని భిన్నంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. వేడి చేయడం వలన యూనిట్ సెల్ విస్తరిస్తుంది, b-అక్షం గొప్ప ఉష్ణ విస్తరణ గుణకాన్ని చూపుతుంది. 900 డిగ్రీల వరకు ఉన్న ఫార్‌స్టరైట్‌పై అధిక-ఉష్ణోగ్రత అధ్యయనాలు M-O బాండ్ పొడవులు క్రమపద్ధతిలో పెరుగుతాయని చూపిస్తున్నాయి, అయితే ద్రవీభవన ఉష్ణోగ్రతలు చేరుకునే వరకు ప్రాథమిక నిర్మాణ టోపోలాజీ మారదు.

SiO₄ టెట్రాహెడ్రా మెటల్-ఆక్సిజన్ ఆక్టాహెడ్రాతో పోల్చితే చాలా దృఢంగా ఉంది. Si-O బాండ్ పొడవులు Si-O బంధాల యొక్క బలమైన సమయోజనీయ లక్షణం కారణంగా ఒత్తిడి లేదా ఉష్ణోగ్రతతో కనిష్టంగా మారుతాయి. M-O బాండ్ పొడవులు మరియు పాలీహెడ్రా యొక్క కుదింపు కాకుండా పాలిహెడ్రా మధ్య కోణాల్లోని సర్దుబాట్ల నుండి చాలా నిర్మాణాత్మక వశ్యత వస్తుంది.

ఒలివిన్ స్ట్రక్చరల్ ఫ్రేమ్‌వర్క్ ముఖ్యమైన సాంకేతిక అనువర్తనాన్ని కనుగొంటుందిలిథియం ఐరన్ ఫాస్ఫేట్ బ్యాటరీలు(LiFePO₄ లేదా LFP). 1996లో కాథోడ్ పదార్థంగా కనుగొనబడిన లిథియం ఐరన్ ఫాస్ఫేట్ ఖనిజ ఆలివిన్ వలె అదే ప్రాథమిక ఆలివిన్ నిర్మాణ రకాన్ని అవలంబిస్తుంది, అయితే ఫాస్ఫేట్ సమూహాలు వివిక్త సిలికేట్ టెట్రాహెడ్రాను భర్తీ చేస్తాయి.

LiFePO₄లో, నిర్మాణం a=6.008 Å, b=10.334 Å మరియు c=4.693 Å లాటిస్ పారామితులతో ఆర్థోహోంబిక్ సమరూపతను (స్పేస్ గ్రూప్ Pnma/Pbnm) నిర్వహిస్తుంది. ఇనుము అణువులు అష్టాహెడ్రల్ సైట్‌లను ఆక్రమిస్తాయి (FeO₆ ఆక్టాహెడ్రాను ఏర్పరుస్తాయి), అయితే భాస్వరం అణువులు టెట్రాహెడ్రల్ సైట్‌లలో కూర్చుంటాయి (PO₄ టెట్రాహెడ్రాను ఏర్పరుస్తాయి), లోహం మరియు సిలికాన్ అణువులు ఖనిజ ఆలివిన్‌లో ఎలా అమర్చబడతాయో దానికి సారూప్యంగా ఉంటుంది.

ప్రధాన వ్యత్యాసం అదనపు లిథియం కాటయాన్‌లలో ఉంది. లిథియం అయాన్లు జిగ్‌జాగ్ నమూనాలో అమర్చబడిన నిర్మాణంలోని అష్టాహెడ్రల్ ఛానెల్‌లలో నివసిస్తాయి. బ్యాటరీ ఛార్జింగ్ మరియు డిశ్చార్జింగ్ సమయంలో, ప్రాథమిక ఆలివిన్ ఫ్రేమ్‌వర్క్‌ను కూలిపోకుండా లిథియం అయాన్‌లను ఈ ఛానెల్‌ల నుండి రివర్స్‌గా సంగ్రహించవచ్చు మరియు ఇన్‌సర్ట్ చేయవచ్చు. లిథియం లోపలికి మరియు వెలుపలికి కదులుతున్నప్పుడు ఛార్జ్ బ్యాలెన్స్‌ను నిర్వహించడానికి ఇనుము Fe²⁺ మరియు Fe³⁺ మధ్య రెడాక్స్ సైక్లింగ్‌కు లోనవుతుంది.

ఈ నిర్మాణ స్థిరత్వం-బలమైన ఆలివిన్ ఆర్కిటెక్చర్ నుండి సంక్రమించబడింది{1}}LifePO₄ బ్యాటరీలకు అసాధారణమైన భద్రతా లక్షణాలను మరియు సుదీర్ఘ చక్ర జీవితాన్ని అందిస్తుంది. ఫాస్ఫేట్ టెట్రాహెడ్రాలోని బలమైన P-O సమయోజనీయ బంధాలు ఆక్సిజన్ విడుదలను నిరోధిస్తాయి, కొన్ని ఇతర లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీ కెమిస్ట్రీలను ప్రభావితం చేసే థర్మల్ రన్‌అవే ప్రతిచర్యలను నివారిస్తాయి. కమర్షియల్ LFP బ్యాటరీలు 3,000 కంటే ఎక్కువ ఛార్జ్{8}}డిశ్చార్జ్ సైకిల్‌లను సాధించగలవు.

ఆలివిన్ నిర్మాణం ఒక పరిమితిని విధిస్తుంది: లిథియం అయాన్లు మూడు కోణాలలో స్వేచ్ఛగా కదలకుండా స్ఫటికాకార అక్షాలతో పాటు ఒక-డైమెన్షనల్ ఛానెల్‌ల ద్వారా వ్యాపించాలి. ఇది అయానిక్ వాహకత మరియు రేటు సామర్థ్యాన్ని పరిమితం చేస్తుంది. పరిశోధకులు దీనిని నానోస్ట్రక్చరింగ్ (డిఫ్యూజన్ పాత్‌లను తగ్గించడానికి కణ పరిమాణాన్ని తగ్గించడం) మరియు కార్బన్ పూత (ఎలక్ట్రానిక్ వాహకతను మెరుగుపరచడం) ద్వారా పరిష్కరిస్తారు. లిథియం మాంగనీస్ ఐరన్ ఫాస్ఫేట్ (LMFP) వంటి సవరించిన సంస్కరణలు ఆపరేటింగ్ వోల్టేజీని పెంచడానికి కొంత ఇనుముకు బదులుగా మాంగనీస్‌ను భర్తీ చేస్తూ ఆలివిన్ నిర్మాణాన్ని నిర్వహిస్తాయి.

ఒలివిన్ నిర్మాణంపై ఆధునిక అవగాహన ప్రధానంగా X-రే డిఫ్రాక్షన్ టెక్నిక్‌ల నుండి వచ్చింది. విలియం లారెన్స్ బ్రాగ్ మరియు GB బ్రౌన్ 1926లో ప్రారంభ X-రే క్రిస్టల్లాగ్రఫీ పద్ధతులను ఉపయోగించి ఫోర్‌స్టరైట్ యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణాన్ని మొదటిసారిగా గుర్తించారు. వారి పని సిలికేట్ మినరలజీకి ఒక పునాది అంతర్దృష్టి-వివిక్త SiO₄ టెట్రాహెడ్రాతో కూడిన ఒలివిన్‌ను స్థాపించింది.

ఒకే-క్రిస్టల్ X-రే డిఫ్రాక్షన్ ఖచ్చితమైన నిర్మాణ నిర్ధారణకు బంగారు ప్రమాణంగా ఉంటుంది. ఒక చిన్న ఆలివిన్ క్రిస్టల్ (సాధారణంగా 0.1-0.5 మిమీ) గోనియోమీటర్‌పై అమర్చబడి, ఎక్స్-రే పుంజం ద్వారా తిప్పబడుతుంది. ఫలితంగా వచ్చే విక్షేపణ నమూనా వేలకొద్దీ వ్యక్తిగత ప్రతిబింబాలను కలిగి ఉంటుంది, ప్రతి ఒక్కటి విభిన్నమైన స్ఫటికాకార విమానాలను సూచిస్తాయి. అధునాతన సాఫ్ట్‌వేర్ అణు స్థానాలు, థర్మల్ పారామీటర్‌లు మరియు సైట్ ఆక్రమణలను గమనించిన డిఫ్రాక్షన్ తీవ్రతలకు సరిపోయేలా మెరుగుపరుస్తుంది.

న్యూట్రాన్ డిఫ్రాక్షన్ పరిపూరకరమైన సమాచారాన్ని అందిస్తుంది, ముఖ్యంగా హైడ్రోజన్ పరమాణువులను (హైడ్రస్ దశలలో) గుర్తించడానికి మరియు మెగ్నీషియం మరియు అల్యూమినియం వంటి సారూప్య ఎలక్ట్రాన్ గణనలతో మూలకాల మధ్య తేడాను గుర్తించడానికి విలువైనది. న్యూట్రాన్ ప్రయోగాలకు పెద్ద స్ఫటికాలు మరియు న్యూట్రాన్ మూలాలతో ప్రత్యేక సౌకర్యాలు అవసరమవుతాయి, అయితే అవి అయస్కాంత నిర్మాణాలు మరియు కొన్ని కాంతి మూలక స్థానాలను నిర్ణయించడానికి ఉన్నతమైన ఖచ్చితత్వాన్ని అందిస్తాయి.

ట్రాన్స్మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (TEM) నానోస్కేల్ వద్ద ఆలివిన్ నిర్మాణాన్ని పరిశీలిస్తుంది, లోపాలు, డొమైన్ సరిహద్దులు మరియు డిఫ్రాక్షన్ పద్ధతులకు కనిపించని స్థానిక వైవిధ్యాలను బహిర్గతం చేస్తుంది. అధిక-రిజల్యూషన్ TEM వ్యక్తిగత పరమాణు నిలువు వరుసలను చిత్రించగలదు, అణువుల అమరికను నేరుగా దృశ్యమానం చేస్తుంది. చిన్న దూరాలలో నిర్మాణం మారుతూ ఉండే వైకల్య నమూనాలు లేదా దశ పరివర్తనలను అధ్యయనం చేసేటప్పుడు ఇది ప్రత్యేకంగా శక్తివంతమైనది.

రామన్ మరియు ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ వైబ్రేషనల్ మోడ్‌ల ద్వారా ఒలివిన్ నిర్మాణాన్ని ప్రోబ్ చేస్తాయి. SiO₄ టెట్రాహెడ్రాన్ నాలుగు ప్రాథమిక వైబ్రేషన్ మోడ్‌లను కలిగి ఉంది మరియు వాటి పౌనఃపున్యాలు Si-O బంధం బలం మరియు పరిసర నిర్మాణ వాతావరణంపై ఆధారపడి ఉంటాయి. కంపోజిషన్ ఈ వైబ్రేషనల్ ఫ్రీక్వెన్సీలను ఊహాజనిత మార్గాల్లో ప్రభావితం చేస్తుంది-ఫాయలైట్ కంటే ఫార్‌స్టెరైట్ భిన్నమైన స్పెక్ట్రల్ శిఖరాలను చూపుతుంది ఎందుకంటే Fe-O బంధాలు Mg-O బంధాల కంటే బలహీనంగా ఉంటాయి. ఈ స్పెక్ట్రోస్కోపిక్ టెక్నిక్‌లు-విధ్వంసకరంగా పని చేయవు మరియు చిన్న నమూనాలు లేదా చేరికలను వర్గీకరించగలవు.

స్ఫటికాకార అమరిక నేరుగా ఆలివిన్ యొక్క పరిశీలించదగిన లక్షణాలను నియంత్రిస్తుంది. ఖనిజం సాధారణంగా ఆలివ్-ఆకుపచ్చ రంగులో కనిపిస్తుంది, ఎందుకంటే అష్టాహెడ్రల్ సమన్వయంలోని Fe²⁺ అయాన్లు నిర్దిష్ట తరంగదైర్ఘ్యాలలో కాంతిని గ్రహించి, ఆకుపచ్చని ప్రసారం చేస్తాయి. స్వచ్ఛమైన ఫోర్‌స్టరైట్ రంగులేనిది నుండి లేత పసుపు-ఆకుపచ్చ రంగులో ఉంటుంది, ఐరన్-సంపన్నమైన కూర్పులు ముదురు ఆకుపచ్చ నుండి గోధుమ{5}}నలుపు వరకు కనిపిస్తాయి.

అష్టాహెడ్రాతో బంధించబడిన వివిక్త టెట్రాహెడ్రా యొక్క త్రిమితీయ ఫ్రేమ్‌వర్క్ అన్ని దిశలలో సమానమైన బలమైన బంధాలను సృష్టిస్తుంది కాబట్టి ఆలివిన్ చీలిక కంటే కాన్‌కోయిడల్ ఫ్రాక్చర్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది. మైకాస్ లేదా లేయర్ సిలికేట్‌లలోని షీట్ నిర్మాణాలతో పోల్చదగిన బలహీనత యొక్క విమానాలు ఏవీ నిర్మాణంలో లేవు. ఆలివిన్ విచ్ఛిన్నమైనప్పుడు, అది నిర్దిష్ట స్ఫటికాకార విమానాల వెంట విడిపోవడానికి బదులుగా నిర్మాణం అంతటా సక్రమంగా విరిగిపోతుంది.

ఆర్థోహోంబిక్ సమరూపత అనిసోట్రోపిక్ లక్షణాలను సృష్టిస్తుంది-భౌతిక లక్షణాలు స్ఫటికాకార దిశతో మారుతూ ఉంటాయి. స్ఫటిక గొడ్డలికి సంబంధించి వ్యాప్తి దిశను బట్టి భూకంప తరంగ వేగం భిన్నంగా ఉంటుంది. వేగవంతమైన వేగం దిశ a-అక్షానికి, c{4}}అక్షానికి మధ్యస్థ వేగానికి మరియు b-అక్షానికి నెమ్మదిగా వేగానికి అనుగుణంగా ఉంటుంది. మాంటిల్ ఒలివిన్‌లోని ఈ భూకంప అనిసోట్రోపి భూభౌతిక శాస్త్రవేత్తలు మాంటిల్ ప్రవాహం యొక్క దిశ మరియు పరిమాణాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి సహాయపడుతుంది.

కాఠిన్యం (మొహ్స్ స్కేల్‌లో 6.5-7) మరియు సాంద్రత (3.27-3.37 g/cm³ forsterite కోసం, 4.39 g/cm³ ఫాయలైట్) రెండూ నిర్మాణం యొక్క గట్టి ప్యాకింగ్ మరియు మెటల్-ఆక్సిజన్ బంధాల బలానికి సంబంధించినవి. ఆలివిన్ నిర్మాణంలో దట్టమైన ఆక్సిజన్ ఫ్రేమ్‌వర్క్ మరియు తక్కువ మెటల్-ఆక్సిజన్ దూరాలు లోతైన భూమి పరిస్థితులలో రసాయన వాతావరణానికి నిరోధకత కలిగిన కఠినమైన, దట్టమైన ఖనిజాన్ని సృష్టిస్తాయి.

olivine crystal structure

నిజమైన ఆలివిన్ స్ఫటికాలు వాటి ప్రవర్తనను గణనీయంగా ప్రభావితం చేసే నిర్మాణ లోపాలను కలిగి ఉంటాయి. పాయింట్ లోపాలలో ఖాళీలు (తప్పిపోయిన పరమాణువులు), ఇంటర్‌స్టిషియల్‌లు (సాధారణంగా ఆక్రమించని స్థానాల్లోకి పిండబడిన అదనపు అణువులు) మరియు ప్రత్యామ్నాయ లోపాలు (సాధారణ సైట్‌లలో తప్పు అణువులు) ఉన్నాయి. ఈ లోపాలు అరుదుగా ఉన్నప్పటికీ, అయానిక్ కదలిక కోసం మార్గాలను సృష్టించడం ద్వారా వ్యాప్తి రేట్లు మరియు విద్యుత్ వాహకతను నియంత్రిస్తాయి.

డిస్‌లోకేషన్‌లు-క్రమమైన స్ఫటికాకార అమరిక విచ్ఛిన్నమయ్యే-లైన్ లోపాలు ఆలివిన్ యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలపై ఆధిపత్యం చెలాయిస్తాయి. డిస్‌లోకేషన్ క్రీప్ (స్ఫటికం ద్వారా ఈ లైన్ లోపాల కదలిక) భౌగోళిక సమయ ప్రమాణాల క్రింద మాంటిల్ ఆలివిన్‌లో ప్రధాన వైకల్య యంత్రాంగాన్ని సూచిస్తుంది. నిర్దిష్ట స్లిప్ సిస్టమ్‌లు (స్ఫటికాకార ప్లేన్‌లు మరియు డిస్‌లోకేషన్ మోషన్ దిశలు) ఆలివిన్ ధాన్యాలు ఎలా వైకల్యం చెందుతాయో మరియు ఇష్టపడే స్ఫటికాకార ధోరణులను ఎలా అభివృద్ధి చేస్తాయో నిర్ణయిస్తాయి.

ధాన్యం సరిహద్దులు మరియు జంట సరిహద్దులు వంటి విస్తరించిన లోపాలు ఇంటర్‌ఫేస్‌లను సృష్టిస్తాయి, ఇక్కడ క్రిస్టల్ నిర్మాణం ఒక ధోరణి నుండి మరొకదానికి మారుతుంది. ఈ సరిహద్దులు యాంత్రిక బలాన్ని ప్రభావితం చేస్తాయి మరియు రసాయన మార్పు కోసం వేగవంతమైన వ్యాప్తి మార్గాలను అందిస్తాయి. సబ్‌గ్రెయిన్ సరిహద్దులు-తక్కువ-కోణ సరిహద్దులు డిస్‌లోకేషన్‌ల శ్రేణులతో కూడి ఉంటాయి-వికృతమైన ఒలివిన్‌లో అభివృద్ధి చెందుతాయి మరియు వైకల్య చరిత్రను రికార్డ్ చేస్తాయి.

భూమి యొక్క ఉపరితలం వద్ద, ఆలివిన్ దాని బలమైన నిర్మాణం ఉన్నప్పటికీ వేగంగా వాతావరణం చెందుతుంది. నీటి అణువులు లోపాలు మరియు ధాన్యం సరిహద్దుల వెంట చొచ్చుకుపోతాయి, ఆలివిన్ ఫ్రేమ్‌వర్క్‌తో ప్రతిస్పందిస్తాయి. అత్యంత సాధారణ మార్పు ఉత్పత్తి సర్పెంటైన్, నీటి అణువులు నిర్మాణంలోకి చొప్పించినప్పుడు ఏర్పడుతుంది: 2Mg₂SiO₄ + 3H₂O → Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + Mg(OH)₂. ఈ ప్రతిచర్య అసలు వాల్యూమ్‌ను 30-40% విస్తరిస్తుంది మరియు అసలు ఆలివిన్ నిర్మాణాన్ని నాశనం చేస్తుంది, దానిని షీట్ సిలికేట్ పొరలతో భర్తీ చేస్తుంది.

ఇతర మార్పు ఉత్పత్తులలో ఇడ్డింగ్‌సైట్ (ఐరన్ ఆక్సైడ్‌లు మరియు బంకమట్టి ఖనిజాల యొక్క చక్కటి{0}}మిశ్రమం) మరియు బౌలింగ్‌సైట్ (హైడ్రేటెడ్ ఐరన్-బేరింగ్ సిలికేట్‌లు) ఉన్నాయి. ఈ మార్పు ప్రక్రియలు పగుళ్లు మరియు స్ఫటిక అంచుల వెంట వేగంగా కొనసాగుతాయి, ఇక్కడ నీరు చాలా సులభంగా నిర్మాణాన్ని యాక్సెస్ చేయగలదు. పూర్తి సూడోమార్ఫిక్ రీప్లేస్‌మెంట్ సంభవించవచ్చు, ఇక్కడ మార్చబడిన పదార్థం బాహ్య క్రిస్టల్ ఆకారాన్ని కలిగి ఉంటుంది, అయితే అంతర్గత నిర్మాణం పూర్తిగా ద్వితీయ ఖనిజాలుగా మారుతుంది.

ఇతర సిలికేట్ ఖనిజాల నుండి ఒలివిన్ నిర్మాణాన్ని ఏది భిన్నంగా చేస్తుంది?

ఒలివిన్‌లో ఆక్సిజన్ పరమాణువులను ఒకదానితో ఒకటి పంచుకోని వివిక్త SiO₄ టెట్రాహెడ్రా ఉంది, దీనిని నెసోసిలికేట్‌గా నిర్వచిస్తుంది. ఇది చైన్ సిలికేట్‌లు (పైరోక్సీన్‌లు వంటివి), షీట్ సిలికేట్‌లు (మైకాస్ వంటివి) మరియు ఫ్రేమ్‌వర్క్ సిలికేట్‌లు (క్వార్ట్జ్ వంటివి)తో విభేదిస్తుంది, ఇక్కడ టెట్రాహెడ్రా ఆక్సిజన్‌లను విస్తరించి నిర్మాణాలను ఏర్పరుస్తుంది. వివిక్త టెట్రాహెడ్రా ఒక దట్టమైన త్రిమితీయ నెట్‌వర్క్‌ను సృష్టిస్తుంది-లోహ-ఆక్సిజన్ బంధాలతో కలిసి ఉంచబడుతుంది.

ఆలివిన్‌కు రెండు వేర్వేరు మెటల్ సైట్‌లు (M1 మరియు M2) ఎందుకు ఉన్నాయి?

ఆర్థోహోంబిక్ సమరూపత మరియు ఆక్సిజన్ పరమాణువుల నిర్దిష్ట ప్యాకింగ్ అమరిక కొద్దిగా భిన్నమైన పరిమాణాలు మరియు వక్రీకరణలతో రెండు స్ఫటికాకారపరంగా విభిన్నమైన అష్టాహెడ్రల్ స్థానాలను సృష్టిస్తాయి. M1 విలోమ కేంద్రంపై కూర్చుంటుంది మరియు చిన్నదిగా మరియు మరింత వక్రీకరించబడింది, అయితే M2 అద్దం ప్లేన్‌పై ఉంటుంది మరియు పెద్దదిగా మరియు మరింత క్రమంగా ఉంటుంది. ఈ వ్యత్యాసం ఏ కాటయాన్‌లను ఏ సైట్‌లను ఇష్టపడుతుందో ప్రభావితం చేస్తుంది మరియు పదార్థం యొక్క భౌతిక లక్షణాలను నియంత్రిస్తుంది.

ఆలివిన్ క్రిస్టల్ నిర్మాణాన్ని కూర్పు ఎలా ప్రభావితం చేస్తుంది?

ఫోర్‌స్టరైట్-ఫాయలైట్ సిరీస్‌లో మెగ్నీషియం కోసం ఇనుము ప్రత్యామ్నాయంగా, యూనిట్ సెల్ ఏకరీతిగా విస్తరిస్తుంది ఎందుకంటే Fe²⁺ Mg²⁺ కంటే పెద్దది. ప్రాథమిక నిర్మాణ టోపోలాజీ మారదు-అదే అంతరిక్ష సమూహం, అదే పరమాణు స్థానాలు, అదే కోఆర్డినేషన్ పరిసరాలు. బాండ్ పొడవులు కొద్దిగా పెరుగుతాయి, కానీ అణువుల అమరిక ప్రాథమికంగా సమానంగా ఉంటుంది. ఇది తుది-సభ్యుల మధ్య పూర్తి ఘన పరిష్కారాన్ని అనుమతిస్తుంది.

ఒలివిన్ నిర్మాణం నీరు లేదా ఇతర అస్థిరతలను కలిగి ఉండగలదా?

ప్రామాణిక ఆలివిన్ నిర్మాణంలో హైడ్రాక్సిల్ సమూహాలు లేదా పరమాణు జలాలు లేవు. అయినప్పటికీ, హైడ్రోజన్ యొక్క ట్రేస్ మొత్తాలు పాయింట్ డిఫెక్ట్‌లుగా-సాధారణంగా ఆక్సిజన్ అణువులకు ప్రత్యామ్నాయంగా OH సమూహాలుగా లేదా సాధారణంగా ఖాళీగా ఉన్న సైట్‌లలో నివసిస్తాయి. ఈ "నీరు" కంటెంట్‌లు చాలా తక్కువగా ఉంటాయి (సాధారణంగా<50 ppm by weight), but even trace hydrogen significantly affects electrical conductivity and diffusion rates. Water content increases with pressure, making transition zone olivine polymorphs potentially important water reservoirs in Earth's deep interior.

ఆలివిన్ క్రిస్టల్ నిర్మాణం క్రింది ప్రాథమిక లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది:

క్రిస్టల్ సిస్టమ్: స్పేస్ గ్రూప్ Pbnmతో ఆర్థోహోంబిక్ (లేదా ప్రత్యామ్నాయ సెట్టింగ్‌లో Pnma)

లాటిస్ పారామితులు:

ఫోర్స్టరైట్: a ≈ 4.75 Å, b ≈ 10.20 Å, c ≈ 5.98 Å

ఫాయలైట్: a ≈ 4.82 Å, b ≈ 10.48 Å, c ≈ 6.09 Å

బిల్డింగ్ బ్లాక్స్: వివిక్త SiO₄ టెట్రాహెడ్రా మెటల్-ఆక్సిజన్ ఆక్టాహెడ్రా (MO₆) ద్వారా కనెక్ట్ చేయబడింది

మెటల్ సైట్లు: విభిన్న పరిమాణాలు మరియు వక్రీకరణలతో రెండు విభిన్న అష్టాహెడ్రల్ సైట్‌లు (M1 మరియు M2)

ఆక్సిజన్ స్థానాలు: అసమాన యూనిట్‌లో స్ఫటికాకారపరంగా మూడు విభిన్న ఆక్సిజన్ సైట్‌లు

నిర్మాణ రకం: టెట్రాహెడ్రల్ మరియు అష్టాహెడ్రల్ శూన్యాలలో కాటయాన్‌లతో షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ ఆక్సిజన్ అర్రే

వర్గీకరణ: వివిక్త టెట్రాహెడ్రల్ యూనిట్ల కారణంగా నెసోసిలికేట్ (ఆర్థోసిలికేట్).

సమన్వయం: Si 4-కోఆర్డినేషన్ (టెట్రాహెడ్రల్), 6-కోఆర్డినేషన్‌లో M కాటయాన్స్ (అష్టాహెడ్రల్)

ఈ నిర్మాణాత్మక ఫ్రేమ్‌వర్క్ అసాధారణంగా పటిష్టంగా ఉందని రుజువు చేస్తుంది, భౌగోళిక వాతావరణాలలో విస్తృత కూర్పు శ్రేణులలో స్థిరత్వాన్ని నిర్వహిస్తుంది, అలాగే సాంకేతిక అనువర్తనాల్లో అధునాతన బ్యాటరీ పదార్థాలకు పునాదిని అందిస్తుంది. ఆలివిన్ నిర్మాణం యొక్క బలమైన సమయోజనీయ Si{1}}O బంధాలు అనువైన లోహంతో-ఆక్సిజన్ సమన్వయం యొక్క కలయిక భూమి యొక్క అత్యంత ముఖ్యమైన మరియు బహుముఖ ఖనిజ నిర్మాణాలలో ఒకటిగా చేస్తుంది.